第三章半导体异质结.ppt

1、Dai Xianying,化合物半导体器件 Compound Semiconductor Devices 微电子学院 戴显英 2013.9.3,Dai Xianying,第三章 半导体异质结,异质结及其能带图 异质结的电学特性 量子阱与二维电子气 多量子阱与超晶格 半导体应变异质结,Dai Xianying,3.1 异质结及其能带图,3.1.1 异质结的形成,图3.1 III-V族和II-VI族化合物 半导体的禁带宽度和晶格常数,1）异质结,2）异质结形成的工艺,3）异质结的类型,4）异质结形成的关键,5）晶格失配,Dai Xianying,3.1 异质结及其能带图,图3.3 晶格失配形成位错

2、缺陷,6）单位面积的悬挂键数,图3.2 （张）应变Si示意图,Dai Xianying,3.1 异质结及其能带图,图3.4 半导体能带边沿图,图3.5 孤立的n型和p型半导体能带图,3.1.2 异质结的能带图,Dai Xianying,3.1 异质结及其能带图,3.1.2 异质结的能带图,图3.6 形成异质结之前(a)和之后(b)的平衡能带图,（以突变异质结为例）,(a),(b),1)突变反型异质结能带图,1、不考虑界面态时的能带图（理想状态）,Dai Xianying,3.1 异质结及其能带图,热平衡下的能带图（p-GaAs/N-AlGaAs）,图3.8 同质pn结平衡能带图,图3.7 异质

3、结pn平衡能带图,Dai Xianying,3.1 异质结及其能带图,热平衡下的能带图,图3.9突变反型np异质结平衡能带图,Dai Xianying,3.1 异质结及其能带图,Anderson定则（模型）：,异质结平衡能带的特点：,能带发生弯曲 能带在界面处不连续，有突变。,EC=1-2 EV=(Eg2-Eg1)-(1-2)= Eg- EC+EV = Eg,异质结能带的新要点 （特征）：,图3.10 Anderson模型的EC- 关系,Dai Xianying,3.1 异质结及其能带图,3.1.2 异质结的能带图,2)突变同型异质结能带图,3.11 突变同型nn异质结平衡能带图,界面处：一侧

4、形成耗尽层，一侧形成电子（空穴）积累层,Dai Xianying,3.1 异质结及其能带图,3.1.2 异质结的能带图,2)突变同型异质结能带图,3.12 突变同型pp异质结平衡能带图,Dai Xianying,3.1 异质结及其能带图,2、考虑界面态时的能带图,1）界面态,2）界面态密度NS,3.1.2 异质结的能带图,Dai Xianying,3.1 异质结及其能带图,2、考虑界面态时的能带图,3）降低界面态,4）界面态的类型,5）巴丁极限,Dai Xianying,3.1 异质结及其能带图,2、考虑界面态时的能带图,6）考虑界面态影响的异质结能带示意图,Dai Xianying,3.1

5、异质结及其能带图,3、渐变异质结能带图,1）渐变的物理含义,3.1.2 异质结的能带图,2）渐变异质结的近似分析：能带的叠加,3）渐变能级,Dai Xianying,3.1 异质结及其能带图,1、势垒区宽度XD,3.1.3 突变反型异质结的接触势垒差及势垒区宽度,2、接触电势差VD,3、外加电压V,4、np突变异质结,（以pn异质结为例） 与求解同质pn结相同：由求解界面两边势垒区的泊松方程，可得VD及XD,推导过程参考刘恩科等著 半导体物理第9章,Dai Xianying,第三章 半导体异质结,异质结及其能带图 异质结的电学特性 量子阱与二维电子气 多量子阱与超晶格 半导体应变异质结,Dai

6、 Xianying,3.2 异质结的电学特性,3.2.1 突变异质结的I-V特性,(a) (b) 图3.8 异型异质结的两种势垒示意图 （a）负反向势垒；（b）正反向势垒,突变异质结I-V模型：扩散模型、发射模型、发射-复合模型、隧道模型、隧道复合模型。,两种势垒尖峰： （a）低势垒尖峰-负反向势垒 （b）高势垒尖峰-正反向势垒,同质结I-V模型：扩散和发射模型,Dai Xianying,3.2 异质结的电学特性,1、低势垒尖峰（负反向势垒异质结）的I-V特性,2）载流子浓度,3）电子扩散电流密度Jn,4）空穴扩散电流密度Jp,5）总电流密度J=Jn+Jp,6）Jn、Jp大小对比分析,1）电流

7、模型：主要由扩散机制决定,特征：势垒尖峰低于p区的EC,Dai Xianying,2、高势垒尖峰（正反向势垒异质结）的I-V特性,3.2 异质结的电学特性,3.2.1 突变异质结的I-V特性,1）电流模型：由热电子发射机制决定,2）势垒高度,特征：势垒尖峰高于p区的EC,3）电流密度,Dai Xianying,3.2.2 异质pn结的注入特性,3.2 异质结的电学特性,1.异质pn结的高注入比特性及其应用,例如，p-GaAs（窄禁带）/n-Al0.3Ga0.7As（宽禁带）， Eg=0.21eV，设p区掺杂浓度NA1=2X1019cm-3, n区掺杂浓度 ND2=5X1017cm-3，则,注入

8、比,发射效率,同质结的BJT：基区不能太薄，频率特性不高；,异质结的HBT：基区可以很薄，频率特性很高；,Dai Xianying,思考题,试分析高势垒尖峰异质结的反向I-V特性。 为什么HBT的频率特性比BJT好？,Dai Xianying,3.2 异质结的电学特性,1.异质pn结的高注入比特性及其应用,异质结的应用,异质结双极晶体管（HeterojunctiongBipolar Transistor，HBT），应用 于微波、毫米波领域。,早期的HBT：n-AlxGa1-xAs/p-GaAs作发射结； 优良的HBT：n-Ga0.5In0.5P/p-GaAs作发射结，GaAs衬底；Ev=0.3

9、eVEc=0.03eV,即空穴的势垒高，Jp小，故注入比和高；fT=100GHz。 SiGe HBT：n-Si/p-Si1-xGex作发射结，Si衬底；Eg,Si1-xGex随组 分x的增大而减小，且EvEc；典型的基区组分：Si0.8Ge0.2，厚度50nm-100nm；主要应用于通信系统及手机。,Dai Xianying,3.2 异质结的电学特性,2.异质pn结的超注入现象,3.2.2 异质pn结的注入特性,1）超注入现象：由宽禁带半导体 注入到窄禁带半导体中的少子浓度 超过了宽禁带半导体中多子浓度。,2）能带结构：外加足够的正向电压使结势垒拉平，Ec2Ec1,3）载流子浓度：n1/n2=

10、exp(Ec2-Ec1)/kT1,4）应用：半导体激光器,Dai Xianying,第三章 半导体异质结,异质结及其能带图 异质结的电学特性 量子阱与二维电子气 多量子阱与超晶格 半导体应变异质结,Dai Xianying,3.3 量子阱与二维电子气,(a) (b) 图3.11 半导体量子阱示意图,量子阱：能够对电子（空穴）的运动产生某种约束，使其能量量子化的势场。如量子力学中的一维方势阱、有限势阱。,二维电子气（2DEG）：势阱中的电子在与异质结界面平行的二维平面内是自由运动，而在垂直异质结界面方向上其能量是量子化的。,Dai Xianying,3.3 量子阱与二维电子气,3.3.1 调制掺

11、杂异质结构界面量子阱,1、调制掺杂结构：,异质结界面处的能带及势阱,n+-AlXGa1-XAs(宽禁带）/i-GaAs（窄禁带）,Dai Xianying,3.3 量子阱与二维电子气,图3.12 量子阱中电子的能量,图3.13 三角形势阱的示意图,2、势阱中的电子能态,Dai Xianying,3.3 量子阱与二维电子气,异质结2DEG的电子态密度与能量的关系,3、2DEG的子带及态密度,3.3.1 调制掺杂异质结构界面量子阱,Dai Xianying,3.3 量子阱与二维电子气,4、2DEG的高迁移率特性,（1）调制掺杂结构特点,（2）2DEG的特性,（3）应用,3.3.1 调制掺杂异质结构

12、界面量子阱,Dai Xianying,3.3 量子阱与二维电子气,3.3.2 双异质结间的单量子阱结构,双异质结结构： AlxGa1-xAs/GaAs /AlxGa1-xAs，要求GaAs层足够薄；,1、导带量子阱中的电子能态,（1）电子在量子阱中的势能V（z）,（2）求解薛定谔方程,Dai Xianying,3.3 量子阱与二维电子气,3.3.2 双异质结间的单量子阱结构,2、价带量子阱中的空穴能态,（1）二维空穴气：2DHG,（2）量子阱中的空穴能态,Dai Xianying,第三章 半导体异质结,异质结及其能带图 异质结的电学特性 量子阱与二维电子气 多量子阱与超晶格 半导体应变异质结,

13、Dai Xianying,3.4 多量子阱与超晶格,超晶格：几种成分或掺杂类型不同的超薄层周期性地重叠，构成一种特殊的人工晶体。 超晶格周期：重叠周期，小于电子的平均自由程,可人工控制 超薄层厚度：足够薄(与电子的波长相当),使相邻势阱的电子波函数重叠。 周期性势场：1)各薄层的晶格周期性势场；2）超晶格的周期性势场。,(a)单量子阱 (b)多量子阱 (c)超晶格,Dai Xianying,3.4 多量子阱与超晶格,多量子阱（a）和超晶格（b）中电子的波函数,Dai Xianying,3.4 多量子阱与超晶格,3.4.1 复合超晶格,1、型超晶格,Dai Xianying,3.4 多量子阱与超

14、晶格,3.4.1 复合超晶格,1、型超晶格,Dai Xianying,3.4 多量子阱与超晶格,3.4.1 复合超晶格,2、 型超晶格,Dai Xianying,3.4 多量子阱与超晶格,3.4.2 掺杂超晶格,n-GaAs/p-GaAs体系,Dai Xianying,第三章 半导体异质结,异质结及其能带图 异质结的电学特性 量子阱与二维电子气 多量子阱与超晶格 半导体应变异质结,Dai Xianying,3.5 半导体应变异质结,3.5.1 应变异质结,1、应变异质结的形成,2、应用,超过临界厚度后，弛豫Si1-xGex形成,Dai Xianying,3.5 半导体应变异质结,3.5.2 应变层材料能带的人工改性,（以Si1-xGex上生长应变异质Si为例）,2、晶格类型,3、晶格常数,4、能带结构,1、应变类型,5、迁移率： n、p均提高,6、应用：沟道长度小于0.1m的CMOS电路,Dai Xianying,3.5 半导体应变异质结,应变Si导带能带分离示意图,应变Si价带能带分离示意图,Dai Xianying,第二次课堂作业,1）为什么要求异质结的晶格匹配？如何能够实现异质结的晶格匹配？ 2）若异质结的晶格不匹配，采用什么方法能够保证异质结界面处不产生缺陷（悬挂键）？ 3）应变外延层厚度与什么有关？,